幾種可消除偏載影響的液壓同步系統設計

金耀，夏毅敏，蘭浩，康輝梅

(1.湖南師范大學工程與設計學院，湖南長沙410081;2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410083)

液壓同步系統，是由兩個或更多個液壓缸/液壓馬達同時驅動一個負載，主要應用于工業中重型負載的提升、推拉、旋轉場合，比如修建地鐵所用盾構挖掘機的推進系統［1］及刀盤驅動系統、某些升降舉重機械設備的提升系統［2］等。這種多執行器同步驅動系統，由于各執行元件所承受載荷、摩擦阻力、泄漏、制造安裝等因素的不同，一般會導致運動位移或速度的不同步。尤其在工作環境復雜、載荷變化大、載荷不均衡或偏載嚴重的大功率液壓驅動場合，同步精度與載荷不均勻的矛盾更為突出，典型的案例比如盾構掘進機在挖掘推進工作中，必然會遭遇到不均勻的巖土地層［3］，導致不可避免的偏載，這種偏載是影響其同步精度的主要因素。

近些年來已有一些針對偏載工況的電液閉環系統同步控制報道，具體涉及液壓同步回路結構、同步控制方式和控制算法，均取得了一定效果。文獻 ［1］采用主從式PID同步控制方式和壓力、流量復合控制策略，消除盾構機在挖掘巖土中伴隨載荷變化產生的偏載對同步推進運動的影響。文獻 ［4］針對雙缸同步舉升系統的變載荷、偏載工況，設計了一種由外環和內環組成的二級非線性系統控制器。文獻 ［5］應用負載口獨立控制閥組技術進行載荷不均衡情況下的兩液壓缸同步控制。文獻 ［6］提出流量均衡和功率匹配的控制策略，并結合免疫算法進行并聯雙馬達速度同步控制，抑制載荷不均衡及負載干擾對同步精度的影響。

針對載荷不均衡條件下的液壓同步驅動問題，認為直接消除或抑制負載不均衡對同步精度的影響不失為一個根本且簡捷的解決措施。為此，提出運動同步控制和載荷均衡調節協調控制的思想，從液壓回路結構與同步控制方式入手，在傳統的位移反饋同步控制回路之外針對偏載專門設計載荷均衡調節回路，當載荷不均衡即偏載發生時，由載荷均衡調節回路調控不同液壓缸或液壓馬達的工作壓力使之趨于一致，從而抑制或消除偏載對同步精度的不利影響。為此，設計了基于高速開關閥控蓄能器、基于比例閥控蓄能器、基于比例溢流閥、以及基于比例減壓閥這4種可消除偏載影響的液壓同步系統，從根本上消除偏載引起的同步誤差，同時抑制包括偏載在內的各種因素造成的同步誤差，為提高載荷不均衡情況下的液壓同步運動精度提供新的有效手段。

1 基于高速開關閥控蓄能器消除偏載影響的液壓同步系統

1.1 系統組成

以一個液壓雙缸同步舉升系統為例，提出基于高速開關閥控蓄能器消除偏載影響的液壓同步系統，見圖1。

圖1 采用高速開關閥控蓄能器的液壓同步系統

液壓同步系統包括液壓傳動回路和電液控制系統，實現在偏載嚴重情況下仍保持較高同步精度的兩液壓缸同步舉升運動。液壓傳動回路驅動兩液壓缸16、19向上運動，由液壓缸及其驅動系統組成，液壓缸驅動系統包括液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、平衡閥等元器件。電液控制系統由基于液壓缸位移反饋的位移同步控制回路和基于液壓缸無桿腔壓力反饋的載荷均衡調節回路組成。位移同步控制回路主要包括兩個位移傳感器22與23、A/D與D/A轉換器 (圖中未標出)、PLC控制器、變頻器等，其作用是通過該反饋控制回路實現運動位移同步。載荷均衡調節回路主要包括兩個壓力傳感器14與15、A/D轉換器 (圖中未標出)、PLC控制器、兩高速開關閥17與18、兩蓄能器20與21等，其作用是調控兩液壓缸壓力使之趨于一致亦即載荷均衡。

1.2 工作原理

要實現圖1所示系統在偏載情況下的同步舉升運動，需液壓傳動回路和電液控制系統相互協調、共同作用。

液壓傳動回路提供動力驅動兩液壓缸16、19向上運動，液壓缸16向上舉升負載的運動速度由調速閥7調節，液壓缸19的運動速度、位移調節由電液控制系統中位移同步控制回路實現。在兩液壓缸同時向上舉升過程中，當運動位移不同步時，由電液控制系統中基于液壓缸位移反饋的位移同步控制回路來保證同步。該回路采用主從同步控制方式，即以主動缸16的運動位移為基準，從動缸19跟隨主動缸16運動。由兩位移傳感器22、23分別測量出兩液壓缸16、19的位移值并輸入到PLC控制器中，通過位移同步控制模塊比較和計算后輸出控制信號，控制變頻器調節電機4頻率以改變電機轉速，進而改變液壓泵5輸出流量和從動缸19速度，使兩缸位移差逐漸減小直至為零，從而實現從動缸19對主動缸16的位移跟蹤同步，使兩缸同步舉升。

當兩液壓缸載荷不均衡時，由電液控制系統中基于液壓缸無桿腔壓力反饋的載荷均衡調節回路來調控兩液壓缸壓力趨于一致以消除或抑制偏載影響。兩壓力傳感器14、15分別測量出兩液壓缸16、19的無桿腔壓力值 (即載荷值)并輸入到PLC控制器中，通過載荷均衡調節模塊比較及運算后輸出PWM(脈沖寬度調制)信號，控制兩高速開關閥17、18通斷，進而控制兩蓄能器20、21的接通斷開，改變兩液壓缸16、19無桿腔壓力，使兩液壓缸壓力差逐漸減小直至為零，亦即兩液壓缸的輸出推力/負載達到均衡，從而消除偏載引起的同步誤差。具體而言，若舉升過程中兩壓力傳感器14、15檢測到液壓缸16載荷大于液壓缸19載荷，則PLC輸出相應PWM控制信號，此時高速開關閥18不工作、蓄能器21不接入系統油路，而高速開關閥17工作、蓄能器20接入液壓缸16無桿腔油路，吸收能量以減少液壓缸16無桿腔壓力，并根據兩缸壓力差大小控制PWM信號占空比，調控經高速開關閥17輸出到蓄能器20的流量，最終使壓力差趨于零，實現兩液壓缸載荷一致，消除偏載引起的同步誤差。若舉升過程中液壓缸16載荷小于液壓缸19載荷，則上述調節過程相反。

1.3 關于流量匹配的討論

圖1所示系統實現載荷均衡的關鍵在于采用高速開關閥控制輸出到蓄能器的流量來調節液壓缸無桿腔壓力值。如果單個高速開關閥的通流能力不能滿足較大流量要求時，則可采用幾個高速開關閥并聯［7］或采用高速開關閥先導控制錐閥［8］的方式加以解決。此外，蓄能器選擇也需同樣考慮容量與流量的匹配關系。

2 基于比例閥控蓄能器消除偏載影響的液壓同步系統

基于圖1液壓同步系統中位移同步控制和載荷均衡調節協調兼顧的思想，衍生出圖2所示采用比例閥控制蓄能器來消除偏載影響的液壓同步系統。兩者在結構組成、工作原理上基本相同，主要區別之處在于載荷均衡調節方式不同。圖2是基于電液比例控制技術，即采用二位四通比例方向閥17、18(工作油口B3和B4堵死)分別控制蓄能器20、21以實現兩液壓缸之間壓力均衡，而圖1是基于高速開關閥數字控制技術，即采用高速開關閥控制蓄能器。

圖2 采用比例閥控蓄能器的液壓同步系統

3 基于比例溢流閥消除偏載影響的液壓同步系統

圖3為采用比例溢流閥調控系統壓力以實現載荷均衡、消除偏載影響的液壓同步系統。它和圖1系統一樣，仍采用位移同步控制和載荷均衡調節協調控制的策略，但其同步控制手段和載荷均衡調節方式不同。圖3中位移同步控制回路是利用三位四通比例方向閥9來調節液壓缸19的輸入流量和速度，從而實現從動缸19對主動缸16的位移跟蹤同步控制。圖3中載荷均衡調節回路是利用比例溢流閥3和6分別調控液壓缸16和19的工作壓力，在兩缸之間實現壓力一致，從根本上消除偏載對運動同步的不利影響。具體而言，若舉升過程中兩壓力傳感器14、15檢測到液壓缸16載荷大于液壓缸19載荷，則PLC中載荷均衡調節模塊輸出相應控制信號并經比例放大器放大，使比例溢流閥3的設定壓力減小，減小進入液壓缸16的油液工作壓力，使兩缸壓力差減小并最終趨于零，實現兩液壓缸載荷一致。若舉升中液壓缸16載荷小于液壓缸19載荷，則比例溢流閥6起作用使進入液壓缸19的油液工作壓力減少，最終使兩液壓缸載荷趨于均衡，從而消除偏載引起的同步誤差。

圖3 采用比例溢流閥的液壓同步系統

4 基于比例壓力閥消除偏載影響的液壓同步系統

圖4為采用比例減壓閥調節系統壓力以實現載荷均衡、消除偏載影響的液壓同步系統，它和圖3系統的主要區別在于載荷均衡調節方式不相同。

圖4 采用比例減壓閥的液壓同步系統

圖4中載荷均衡調節回路是利用串聯在油路中的比例減壓閥17和18分別調控液壓缸16和19的工作壓力，而圖3中載荷均衡調節是利用并聯在油路中的兩個比例溢流閥3和6來實現的，兩者具體的載荷均衡調節過程類似，此處不再贅述。

5 結語

針對液壓同步系統在偏載工況下同步精度與載荷不均衡之間的矛盾，提出了運動同步控制和載荷均衡調節協調控制的思想，即在傳統運動同步控制回路之外，專門設計載荷均衡調節回路來調控液壓缸之間的壓力均衡以消除或抑制偏載影響。以雙缸液壓同步舉升系統為例，設計了基于高速開關閥控蓄能器、基于比例閥控蓄能器、基于比例溢流閥、以及基于比例減壓閥這4種可調節系統壓力、消除偏載影響的液壓同步回路，并進行了相應的理論分析和研究。

必須指出，用來消除偏載影響的載荷均衡調節回路雖然在一定程度上增加了系統的復雜度 (視需同步控制的執行器數量多少而定)，但對于載荷差異大、偏載嚴重、同步精度要求較高的大功率液壓缸或液壓馬達同步驅動場合，仍不失為一種可能的有效新途徑。另外，該研究雖然為偏載工況下實現較高同步精度的液壓同步系統設計提供了新思路，但尚有待于在實驗和應用中進一步驗證和完善。

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